基于正交試驗(yàn)的新型隧道防火涂料配方優(yōu)化及其應(yīng)用

景宏君，景宏彬，孫明東，艾 濤

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710054;2.陜西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，陜西西安 710068;3.安康公路管理局，陜西安康 725000;4.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710064)

基于正交試驗(yàn)的新型隧道防火涂料配方優(yōu)化及其應(yīng)用

景宏君1，景宏彬2，孫明東3，艾 濤4

(1.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，陜西西安 710054;2.陜西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，陜西西安 710068;3.安康公路管理局，陜西安康 725000;4.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710064)

為了客觀評(píng)價(jià)自制新型隧道防火涂料的各項(xiàng)性能，選用水性環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅高分子、水鎂石纖維和聚磷酸胺(APP)等原材料，用熱分析法確定出各組分的合適比例，通過耐火試驗(yàn)、熱重分析等試驗(yàn)，應(yīng)用正交優(yōu)化原理獲得隧道表層和基層防火涂料的最優(yōu)配方組合，研究開發(fā)出抗污耐水性能優(yōu)良、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的新型隧道表層和基層防火涂料。經(jīng)過測(cè)試，其各項(xiàng)性能優(yōu)于現(xiàn)有相關(guān)技術(shù)規(guī)范指標(biāo)要求。

隧道工程;正交試驗(yàn);防火涂料;配方優(yōu)化

本研究開發(fā)的抗污耐水型隧道防火涂料由外層和基層防火涂料構(gòu)成。外層為膨脹型隧道防火涂料，承擔(dān)著抗污和耐水的功能，還具有可裝飾性;基層為地質(zhì)聚合物非膨脹型防火涂料，具有高黏結(jié)性、強(qiáng)耐火性，還可根據(jù)不同隧道防火性能要求變化其厚度和功能層，實(shí)現(xiàn)多樣化、多層可選。

1 方案優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)新型隧道防火涂料的多功能化，必須設(shè)計(jì)一種多功能復(fù)合涂層。抗污和耐水主要針對(duì)隧道防火涂料表面，要求表面既可抵抗隧道內(nèi)油煙污染，又可耐受隧道內(nèi)壁定期的高壓水清洗;基層防護(hù)涂料則要求具有高黏結(jié)性、強(qiáng)耐火性和薄涂層［6-7］。本研究對(duì)配方中的重要功能組分進(jìn)行多次優(yōu)化試驗(yàn)，通過抗污試驗(yàn)和接觸角測(cè)試，最終確定多功能防火涂料配方方案。經(jīng)過專業(yè)測(cè)試，材料各項(xiàng)指標(biāo)均超過預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)。

1．1 涂料配方優(yōu)化

抗污耐水型隧道防火涂料是一種復(fù)合型防火涂料，由表面層涂料和基層涂料構(gòu)成，前者為以水性環(huán)氧樹脂為主體的有機(jī)涂料，主要起抗污、耐水作用;后者由粉煤灰地質(zhì)聚合物防火涂料組成，主要起防火作用［8-10］。這種涂料可由表面層與不同厚度和結(jié)構(gòu)的地質(zhì)聚合物防火涂料構(gòu)成，每種組合都有著不同的耐水性能，可滿足不同防火等級(jí)隧道的要求。

1．1．1 表面防火涂料的最優(yōu)化

抗污耐水表面層是由水性環(huán)氧樹脂、阻燃體系、抗污耐水交聯(lián)組元組成。具體配方為:環(huán)氧樹脂40%、聚磷酸銨15%、季戊四醇7．5%、三聚氰胺7.5%、聚醚胺3%、納米二氧化硅3%、無機(jī)礦物纖維3%、納米二氧化鈦5%、有機(jī)硅交聯(lián)劑5%、錫酸鋅10%。

為了進(jìn)一步研究抗污組元納米二氧化硅、納米二氧鈦和有機(jī)硅交聯(lián)劑對(duì)涂料抗污性能的影響，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)不考慮交互影響的三因素三水平正交試驗(yàn)，即L9(34)。根據(jù)上述方法進(jìn)行編程計(jì)算，并測(cè)試接觸角，結(jié)果如表1所示。由表1可知，有機(jī)硅偶聯(lián)劑KH550及納米粉體用量對(duì)涂料的親水性有較大影響。挑選接觸角從小到大的5個(gè)配方進(jìn)行抗污試驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可知，防火涂料親水性隨其與水的接觸角的增大而下降，涂料抗污性能在接觸角為40°時(shí)達(dá)到最好，但隨著親水性的下降，涂料的抗污性能先下降后又提高。這說明涂料抗污性能與其親水程度有一定關(guān)系，親水性在某個(gè)范圍時(shí)，涂料抗污性能達(dá)到最佳，這可能與納米粒子的雙親性及有機(jī)硅偶聯(lián)作用有關(guān)［11-12］。

表1 不同配方接觸角測(cè)試結(jié)果

本次抗污試驗(yàn)的污染源為特殊處理的粉煤灰，呈親油性，與隧道中污染物(如尾氣、煤粉塵)性質(zhì)相近，因此抗污試驗(yàn)結(jié)果具有非常高的參考價(jià)值。

1．1．2 基層防火涂料的最優(yōu)化

地質(zhì)聚合物隧道防火涂料基層分為2層，即底層與上層。底層為5 mm厚的不發(fā)泡地聚合物防火涂料，旨在提高地質(zhì)聚合物與混凝土的黏結(jié)性能，其中激發(fā)劑、可分散性膠粉、粉煤灰、高鋁水泥、珍珠巖、海泡石、蛭石、塑化劑、滲透結(jié)晶母粒的比例為44∶3∶80∶20∶4∶2∶10∶1∶3。

表2 典型配方抗粘污性能測(cè)試結(jié)果

上層為發(fā)泡層，其中激發(fā)劑、可分散性膠粉、粉煤灰、高鋁水泥、二氧化硅氣凝膠、珍珠巖、海泡石、蛭石、發(fā)泡劑、引氣劑、塑化劑、滲透結(jié)晶母粒的比例為44 ∶3 ∶80 ∶20 ∶0．03 ∶4 ∶2 ∶10 ∶10 ∶0．1 ∶1 ∶3。

二氧化硅氣凝膠的添加量對(duì)上層地質(zhì)聚合物非膨脹型隧道防火涂料的防火性能有影響，具體結(jié)果見表3。

表3 二氧化硅氣凝膠對(duì)隧道防火涂料防火性能的影響

由表3可知，二氧化硅氣凝膠可明顯提高地質(zhì)聚合物防火涂料的耐火時(shí)間，這是由于二氧化硅氣凝膠納米級(jí)骨架可減緩固體熱傳導(dǎo)，納米多孔結(jié)構(gòu)可抑制氣體熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱。氣凝膠具有優(yōu)異的隔熱性能，是目前公認(rèn)的熱導(dǎo)率最低的固態(tài)材料，可作為隧道防火涂料重要的添加材料。

綜上所述，可根據(jù)不同隧道安全等級(jí)要求添加氣凝膠填料配制地質(zhì)聚合物涂層，或都換為添加氣凝膠填料的地質(zhì)聚合物涂層，以保證隧道防火涂料輕薄、抗污、耐水。

1．1．3 隧道防火涂料方案優(yōu)化組成

由優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果可確定，抗污耐水型隧道防火涂料由水性環(huán)氧樹脂膨脹型防火涂料和添加有氣凝膠的非膨脹型防火涂料組成，具體為:在水泥混凝土試塊上先涂5 mm厚不發(fā)泡的地質(zhì)聚合物防火涂料;待表干后，再涂10 mm厚發(fā)泡的地質(zhì)聚合物防火涂料(5%二氧化硅氣凝膠);自然養(yǎng)護(hù)一星期后，再刷涂一層水性環(huán)氧樹脂防火涂料，成為最終的抗污耐水型防火涂料，其性能見表4。由表4可知，本文研究開發(fā)的抗污耐水型隧道防火涂料性能優(yōu)良，達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)要求。

考慮成本和不同隧道安全等級(jí)防火要求，本研究又設(shè)計(jì)了不同抗污耐水型隧道防火涂料組合，其性能差異如表5所示。

表4 抗污耐水型隧道防火涂料主要性能指標(biāo)

表5 不同抗污耐水型隧道防火涂料性能

1．2 抗污耐水型隧道防火涂料經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)抗污耐水型隧道防火涂料配方組成，分別計(jì)算各層成本，并與國(guó)內(nèi)一些品牌隧道防火涂料進(jìn)行性能和價(jià)格方面的對(duì)比，結(jié)果見表6。由表6可知，與其他生產(chǎn)廠家的隧道防火涂料相比，本研究自制的抗污耐水型隧道防火涂料性能最優(yōu)，材料成本低(底層材料成本為3．5元·kg－1，表面抗污層材料成本為27元·kg－1)，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

表6 不同生產(chǎn)廠家的隧道防火涂料性能價(jià)格對(duì)比

2 工程應(yīng)用

2．1 工程概況

本項(xiàng)目依托的抗污耐水型隧道防火涂料示范工程是國(guó)道312陜西省咸陽市彬縣境內(nèi)太峪隧道，該隧道長(zhǎng)1238 m、寬8 m。目前，該隧道交通量非常大，多為拉煤重載車，雙向通行，隧道內(nèi)通風(fēng)除塵極為不足，洞內(nèi)尾氣濃度大，灑落煤粉多，揚(yáng)塵嚴(yán)重，能見度極差，隧道內(nèi)壁吸附大量煙塵，污染情況嚴(yán)重。本次防火涂料施工面積3000 m2，隧道全斷面噴涂防火涂料，基層噴涂15 mm厚的隧道防火涂料，表層噴涂淺黃色抗污防火涂料。

2．2 施工組織設(shè)計(jì)

示范工程施工前，根據(jù)事先制定的施工組織方案確定項(xiàng)目管理人員和工作班組，足額準(zhǔn)備相應(yīng)的檢測(cè)儀器、設(shè)備和材料，要求必須由專業(yè)涂料隊(duì)伍施工，且施工前施工負(fù)責(zé)人向班組進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底。

2．3 基層防火涂料施工

基層的施工質(zhì)量至關(guān)重要，在施工過程中，隧道襯砌基層處理、防火涂料配料、噴涂施工和養(yǎng)護(hù)方面都有具體要求。

(1)隧道襯砌基層處理。施工前，用砂紙等清除基層疏松層、浮灰、浮塵、脫模劑、油污和污漬等雜物，并用高壓水沖洗干凈，最后抺涂2 mm厚水泥砂漿層。

(2)防火涂料配料。將水與涂料按100∶90的比例混合并充分?jǐn)嚢璩删鶆驖{料，涂料隨拌隨用，在2 h內(nèi)用完;當(dāng)氣溫高、濕度小或風(fēng)速大時(shí)，宜在30～60 min內(nèi)用完。

(3)噴涂施工。對(duì)隧道壁表面進(jìn)行除污、除油處理結(jié)果檢查，合格后方可開始施工;施工前在隧道壁噴少量水，要求混凝土基體表面不得有明水;采用噴涂法施工。

(4)養(yǎng)護(hù)。隧道涂層施工達(dá)到設(shè)計(jì)厚度且終凝后應(yīng)進(jìn)行7 d保濕養(yǎng)護(hù)，初始宜采用噴霧養(yǎng)護(hù)，后期可噴灑清水并自然養(yǎng)護(hù)21 d;養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)防止碰撞和用水沖刷;洞內(nèi)配1臺(tái)灑水車不定期灑水，以洞內(nèi)路面保持濕潤(rùn)狀態(tài)為宜。

2．4 表層防火涂料施工

當(dāng)基層防火涂層硬化7 d后，方可進(jìn)行表面防火涂料施工。施工前，先對(duì)基層表面進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)表面不平整則用砂紙打平;按抗污涂料與固化劑的比例為100∶3進(jìn)行配比，并攪拌至均勻;配制好后，用輥涂和噴涂相結(jié)合的方法使抗污防火涂料黏附在防火基層表面。

2．5 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

為了保證良好的施工質(zhì)量，要求襯砌基面處理到位，增強(qiáng)其界面黏結(jié)性;嚴(yán)格控制施工現(xiàn)場(chǎng)隧道涂裝涂料配比及涂層厚度。

2．6 安全及文明施工措施

施工期間嚴(yán)格按照公路安全施工規(guī)范設(shè)置相應(yīng)的警示標(biāo)牌，并指定專人進(jìn)行維護(hù);腳手架的搭建方案須經(jīng)技術(shù)認(rèn)可后方可使用，確保安全可靠;嚴(yán)格遵守施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理規(guī)定，服從現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一管理，做好交叉作業(yè)的協(xié)調(diào)工作。

2．7 環(huán)境保護(hù)措施

由于現(xiàn)場(chǎng)噴涂易引起周圍環(huán)境的變化，要求在施工過程中配備專用灑水車，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)和運(yùn)輸?shù)缆愤M(jìn)行反復(fù)灑水濕潤(rùn)，減少揚(yáng)塵;同時(shí)對(duì)于報(bào)廢材料或施工中返工的挖除材料等應(yīng)及時(shí)收集清理，以保護(hù)自然環(huán)境不受到破壞。

2．8 質(zhì)量要求及檢驗(yàn)

隧道防火涂層質(zhì)量應(yīng)符合下列要求。

(1)隧道涂料涂層與基層黏結(jié)牢固，墻裙(墻高4 m以下)平整光滑，其余部位表面應(yīng)為平整毛面，噴涂均勻，無空鼓、無流墜、無漏涂，無裂縫、起層、掉塊、氣砂等缺陷，表面平整度偏差不大于2 mm［13］。

(2)隧道防火涂層平均厚度不得小于設(shè)計(jì)規(guī)定厚度，最小厚度不得小于設(shè)計(jì)厚度的85%。測(cè)量方法可用針刺法或割取20 mm×20 mm的實(shí)樣測(cè)量［14］。

3 結(jié) 語

(1)采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化確定了抗污耐水型隧道防火涂料配方組成，包括膨脹型防火表層涂料和非膨脹型地聚合物基層防火涂料層，前者厚度小于0．05 mm，具有抗污、耐水和可裝飾性功能，后者厚度約15 mm，具有高耐火性能，耐火極限時(shí)間可達(dá)150 min以上。該防火涂料結(jié)構(gòu)層各項(xiàng)性能優(yōu)良，達(dá)到預(yù)定指標(biāo)。實(shí)踐中可根據(jù)隧道等級(jí)的不同選擇相應(yīng)耐火極限的防火涂料組合。

(2)確定了抗污耐水型隧道防火涂料的制備工藝和現(xiàn)場(chǎng)施工工藝，并成功在太峪隧道中進(jìn)行應(yīng)用。結(jié)果表明，自制的抗污耐水型隧道防火涂料制備和施工工藝合理，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。經(jīng)濟(jì)效益分析表明，與國(guó)內(nèi)隧道防火涂料的主流品牌產(chǎn)品相比，自制的抗污耐水型隧道防火涂料性能價(jià)格比最高。

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Optimization and Application of Formulation of New Tunnel Fireproof Coating Based on Orthogonal Experiment

JING Hong-jun1，JING Hong-bin2，SUN Ming-dong3，AI Tao4
(1．School of Architecture and Civil Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，Shaanxi，China;2．Shaanxi Water Affair Group Co．，Ltd．，Xi'an 710068，Shaanxi，China;3．Ankang Highway Administration，Ankang 725000，Shaanxi，China;4．School of Materials Science and Engineering，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

In order to objectively evaluate the performance of self-made new tunnel fireproof coating，water-based epoxy resin，organic silicon polymer，brucite fiber and ammonium polyphosphate(APP)and other raw materials were used to determine the appropriate proportion of each component by thermal analysis．Through the physical and chemical tests such as fire resistance test and thermogravimetric analysis，the optimal formula combination of fireproof coating for tunnel surface and base layer was obtained by orthogonal test．The new fireproof coating with excellent performance of stain and water resistance，which also has good quality and low price，was developed and successfully applied in tunnel projects．The test results show that its performance is superior to the requirements of existing technical specifications．

tunnel engineering;orthogonal experiment;fireproof coating;formulation optimization

U457．4

B

1000-033X(2017)09-0076-05

0 引 言

隧道空間相對(duì)密閉，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易造成重大生命與財(cái)產(chǎn)損失;因此，要把災(zāi)害損失降到最低，隧道防火顯得尤為重要［1-3］。從性價(jià)比方面考慮，隧道防火涂料是隧道防火的最佳選擇，而其性能優(yōu)劣直接反映隧道防火安全等級(jí)。國(guó)內(nèi)外目前研究成果均存在涂層厚、黏結(jié)強(qiáng)度低、耐水性差、抗污性和裝飾性差、未注重涂層毒性研究等問題［4-5］。本項(xiàng)目基于這種現(xiàn)狀，開發(fā)出一種復(fù)合功能型抗污耐水隧道防火涂料，以滿足公路隧道不同安全等級(jí)要求，對(duì)于制定隧道防火涂料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具有極大的推動(dòng)作用和實(shí)際意義。它既符合國(guó)家新材料開發(fā)的產(chǎn)業(yè)政策，又能提高隧道安全防火性能，擴(kuò)大隧道防火涂料的應(yīng)用范圍。

2017-03-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51608041);交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(20113188121720)

景宏君(1974-)，男，陜西吳堡人，教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事土木工程方面的教學(xué)與研究工作。

［責(zé)任編輯:王玉玲］